금오공대, 귀금속 촉매 없는 고성능 직접 암모니아 프로토닉 세라믹 연료전지 개발

- 암모니아 이용해 탄소중립 실현 가능한 친환경적 전기 생산 기대

암모니아 프로토닉 세라믹 연료전지 전류-전압 특성 곡선(a), 암모니아 프로토닉 세라믹 연료전지 장기 전류 밀도 안정성 평가 결과 이미지(b). (자료제공: 금오공대)

금오공과대학교(총장 곽호상)는 기계공학과 최시혁 교수 연구팀이 미국 노스웨스턴 대학(Northwestern University)의 소시나 하일리(Sossina M. Haile) 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 ‘귀금속 촉매 없는 프로톤 전도성 세라믹 전해질 기반의 고성능 직접 암모니아 세라믹 연료전지 개발’에 성공했다고 11월 18일 밝혔다. 

암모니아는 400℃ 이상의 고온에서 99.5% 이상 질소와 수소로 분해되기 때문에, 세라믹 연료전지에 직접 연료로 사용하기에 적합하다. 그러나 직접 암모니아 연료전지(DAFC; Direct ammonia fuel cell)에서 니켈(Ni) 기반 연료극 촉매의 부족한 촉매 활성과 내구성으로 인해 높은 성능과 장기 구동이 제한되어, 효율적인 암모니아 분해를 위한 루테늄(Ru)과 같은 귀금속 촉매를 연료극에 도입하는 연구가 많이 진행돼 왔다. 

최시혁 교수 연구팀은 기존 연구들과는 다르게 가장 기본적인 연료극 구성인 니켈 촉매와 전해질만을 조합하여 효과적으로 암모니아를 분해할 수 있는 독창적인 연료극 구조를 제안했다. 이 연료극은 면적당 높은 촉매 활성 부위를 확보할 수 있도록 설계되어 기존 연료극과 비교해 기체 확산 손실을 최소화하면서도 높은 암모니아 전환 및 구조적 안정성을 나타냈다. 

연구팀이 개발한 ‘직접 암모니아 프로토닉 세라믹 연료전지’는 600℃와 500℃에서 1.14W/㎠ 및 0.44W/㎠의 매우 높은 최대 전력 밀도와 200시간 동안 열화 없는 장시간 구동을 통해 귀금속 촉매 없이 니켈 촉매만으로 우수한 성능과 안정성을 확보할 수 있음을 입증했다. 또한, 실제 구동 환경에서 NOx(질소산화물)와 같은 유해 물질이 검출되지 않아 환경오염을 최소화할 가능성도 확인됐다.

제1저자로 참여한 윤지원(석박통합과정) 학생은 “암모니아 분해 촉진을 위한 촉매 개발에만 국한되어 있던 기존의 직접 암모니아 연료전지 연구 방향을 넘어 새로운 접근 방향을 제시한 의미 있는 연구”이며 “앞으로도 높은 성능과 우수한 안정성을 모두 갖춘 세라믹 연료전지 실현을 목표로 지속적인 후속 연구를 위해 노력하겠다”라고 밝혔다.

이번 연구를 주도한 최시혁 교수는 “암모니아는 무탄소 연료로 수소의 저장 및 운송의 한계점을 해결할 수 있는 유망한 솔루션이며, 이를 직접 활용한 연료전지는 탄소 중립을 실현할 수 있는 핵심 기술이 될 것”이라며 연구의 의미를 강조했다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부의 우수신진연구사업, 나노및소재기술개발사업, 미래수소원천기술개발사업, KIST 주요사업의 지원으로 이뤄졌다. 연구 결과는 에너지 과학 분야의 국제 학술지인 ‘ACS Energy Letters’에 11월 8일자로 게재됐다. 

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]